DE102021211261A1

DE102021211261A1 - Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem Sensorsignal beim Betrieb eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102021211261A1
Application number: DE102021211261.7A
Authority: DE
Inventors: Egbert Fuchs; Ralph Kober; Andreas Schmitt; Lars-Oliver Rack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-06
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2023-04-06
Also published as: CN115929494A; US20230107124A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem Sensorsignal (S) beim Betrieb eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Schaltventil des Kraftstoffinjektors mittels eines Ansteuersignals angesteuert wird, und bei dem das Sensorsignal als ein Signal (S) eines Sensors erfasst wird, der dafür vorgesehen ist, charakteristische Betriebspunkte des Kraftstoffinjektors zu erfassen, wobei in einem jeweils vorgegebenen Zeitfenster (Δtu, Δt_O) des Sensorsignals (S), das einen Zeitpunkt eines charakteristischen Betriebspunkts des Kraftstoffinjektors umfasst, wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, die einen Signalpegel (P) und/oder eine Anstiegszeit (Δt_A,) umfasst, und wobei anhand der wenigstens einen Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem Sensorsignal beim Betrieb eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, bei dem das Sensorsignal als ein Signal eines Sensors erfasst wird, der dafür vorgesehen ist, charakteristische Betriebspunkte des Kraftstoffinjektors zu erfassen, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Moderne Brennkraftmaschinen verfügen über Kraftstoffinjektoren, mit denen Kraftstoff gezielt in Brennräume eingebracht werden kann. Für eine genaue Steuerung der Brennkraftmaschine müssen charakteristische Betriebspunkte wie Zeitpunkte der Einspritzvorgänge, insbesondere ein Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren, möglichst genau erfasst werden.
Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen das Öffnen und Schließen direkt durch Magnetventile, Piezoaktoren oder dergleichen erfolgt, können zum Erfassen solcher charakteristischeren Zeitpunkte oft die elektrischen Ansteuergrößen verwendet werden.
Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen zunächst ein Schalt- oder Servoventil angesteuert wird, besteht hingegen kein direkter Zusammenhang zwischen den elektrischen Ansteuergrößen des Kraftstoffinjektors und den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkten des Einspritzventils. Daher können bei solchen Kraftstoffinjektoren zusätzliche Sensoren, deren Signale beispielsweise vom Kraftstoffdruck in einem Steuerraum oder in einer Hochdruckleitung des Kraftstoffinjektors beeinflusst werden, verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem Sensorsignal beim Betrieb eines Kraftstoffinjektors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht von der Verwendung eines Sensors aus, der dafür vorgesehen ist, charakteristische Betriebspunkte des Kraftstoffinjektors wie z.B. Zeitpunkte des Öffnens des Schaltventils, des Schließens der Düsennadel des Kraftstoffinjektors oder auch einen Zeitpunkt des Umkehrens der Düsennadel zu erfassen bzw. zu bestimmen. Ein solcher Sensor wird auch als Needle-Closing-Sensor (NCS) bezeichnet.
Im Falle eines druckausgeglichenen Schaltventils (Magnetventil) des Kraftstoffinjektors reagiert der zentrale Ankerbolzen z.B. sensitiv auf die Änderung charakteristischer Merkmale wie Düsennadelschließen. Die Integration z.B. eines Piezosensors direkt über diesem Ankerbolzen ermöglicht eine robuste Merkmalserkennung bei relativ geringer Konstruktionskomplexität. Das Sensorsignal ist dann in der Regel proportional zum Druckverlauf des unterhalb des zentralen Ankerbolzens liegenden Ventilraums. Denkbar ist aber auch, dass mittels eines solchen Sensors Verformungen eines Haltekörpers in der Nähe einer Hochdruckbohrung des Kraftstoffinjektors detektiert werden.
Das Signal eines solchen Sensors - das Sensorsignal - kann erfasst und hinsichtlich charakteristischer Merkmale im Verlauf ausgewertet werden, um auf die konkreten Zeitpunkte der genannten Betriebspunkte des Kraftstoffinjektors schließen zu können.
Es kann nun aber zu verschiedenen Fehlern kommen, die dazu führen, dass das Sensorsignal verfälscht wird, was zu einem fehlerhaften Erkennen der genannten Zeitpunkte führen kann. Da diese Zeitpunkte insbesondere auch für die Bestimmung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bzw. das Einregeln der Kraftstoffmenge verwendet werden, kann dies zu ungenauen Einspritzmengen und ggf. u.a. zu erhöhten Emissionen führen. Insofern sollten solche Fehler möglichst erkannt werden, um sie beheben oder ggf. den Kraftstoffinjektor tauschen zu können. Dies kann z.B. im Rahmen einer sog. On-Board-Diagnose (OBD) erfolgen. Hierzu kann das Sensorsignal auf geeignete Weise ausgewertet werden.
Typische Fehler sind z.B. Kurzschluss des Sensorsignals bzw. des Sensors nach Masse, Kurzschluss nach Batterie (positiver Pol) und eine elektrische Unterbrechung eines Sensorsignals (z.B. Kabelbruch oder Sensorausfall). Zum Erkennen dieser Fehler kann z.B. geprüft werden, ob die Signalamplitude (Amplitude des Sensorsignals) in einem vorgegebenen Zeitfenster (Messfenster) des Sensorsignals, das das Umkehren der Düsennadel (Nadelumkehrpunkt) als Zeitpunkt eines charakteristischen Betriebspunkt des Kraftstoffinjektors umfasst, zu klein ist, insbesondere unplausibel zu klein ist. Falls ja, kann z.B. der Mittelwert des Sensorsignals in dem Messfenster berechnet werden. Anhand des Mittelwertes kann der Fehler dann einem der drei genannten Arten von Fehler bzw. Fehlertypen zugeordnet werden.
Wenn das Sensorsignal unterbrochen ist (Kabelbruch oder Sensorausfall), wird in einer Ausleseeinheit (z.B. Steuergerät, Messschaltung) ein Ruhepegel des Sensorsignals erfasst bzw. gemessen, der z.B. etwa 3 V beträgt. Bei einem Kurzschluss nach Masse ist der Pegel des Sensorsignals deutlich kleiner als dieser Ruhepegel (ca. 3 V), bei einem Kurzschluss nach Batterie ist der Pegel des Sensorsignals deutlich größer als dieser Ruhepegel (ca. 3 V).
Zur Klassifizierung der Fehler können z.B. zwei Erkennungsschwellen (Schwelwerte) verwendet. Wenn der Mittelwert kleiner als eine untere Erkennungsschwelle von z.B. 1,3 V ist, dann wird ein Kurzschluss nach Masse erkannt und ggf. gemeldet. Wenn der Mittelwert größer als eine obere Erkennungsschwelle von z.B. 7 V ist, dann wird ein Kurzschluss nach Batterie erkannt und ggf. gemeldet. Vorzugsweise sollte die obere Erkennungsschwelle in Abhängigkeit von der Batteriespannung definiert werden. Mit zunehmender Batteriespannung sollte die obere Erkennungsschwelle größer werden.
Wie sich herausgestellt hat, gibt es jedoch weitere Fehler, die auf diese Weise nicht erkannt werden können. Dies sind insbesondere ein Nebenschluss (Kurzschluss mit nicht vernachlässigbarem Widerstand) nach Masse oder Batteriespannung und ein erhöhter Übergangswiderstand zwischen dem Sensor und der Ausleseeinheit.
Zunächst soll der Aspekt des Nebenschlusses betrachtet werden. Ein Kurzschluss nach Masse oder Batteriespannung kann mit vorstehend genannten Diagnosekonzept nur dann erkannt werden, wenn der (elektrische) Widerstand des Kurzschlusses so gering ist, dass sich die Amplitude des Sensorsignals signifikant verändert. Eine typische Erkennungsschwelle ist z.B., dass die Signalamplitude kleiner als ca. 5 - 10% des Nominalwertes sein muss. Hieraus ergibt sich die Einschränkung, dass der Widerstand (des Kurzschlusses) in einem typischen Anwendungsfall kleiner als ca. 400 Ohm sein muss, zumindest aber (allgemein) einen gewissen Wert unterschreiten muss. Ein größerer Widerstand von z.B. mehr als ca. 400 Ohm zwischen dem Sensorsignal und Masse oder Batteriespannung kann mit einem typischen Vorgehen in der Regel nicht erkannt werden.
Zur Abgrenzung der Fehler sollen im Folgenden insbesondere die Begriffe Kurzschluss und Nebenschluss verwendet werden. Diese sind wie folgt zu verstehen. Ein elektrischer Kurzschluss liegt bei einem Widerstand von weniger als 400 Ohm vor bzw. dann, wenn er mit oben beschriebenem (herkömmlichem) Vorgehen erkannt werden kann. Ein elektrischer Nebenschluss soll bei einem Widerstand von mehr als 400 Ohm vorliegen bzw. dann, wenn er mit oben beschriebenem Vorgehen nicht erkannt werden kann. Trotzdem handelt es sich bei einem Nebenschluss aber auch grundsätzlich um einen Kurzschluss.
Ein Nebenschluss nach Masse ist in der Praxis meist deutlich wahrscheinlicher als ein Nebenschluss nach Batterie, weil der gesamte Körper des Kraftstoffinjektors in der Regel permanent der Signalmasse entspricht. Dagegen liegt die Batteriespannung lediglich am Highside-Anschluss der Spule (im Falle eines Magnetventilinjektors) temporär während der elektrischen Ansteuerung mit periodischen Unterbrechungen an. Daher sollen die Auswirkungen auf das Sensorsignal im Folgenden exemplarisch für einen Nebenschluss nach Masse aufgezeigt werden, wenngleich dies für einen Nebenschluss nach Batterie auch gilt.
Ein Nebenschluss nach Masse bewirkt, dass der Ruhepegel des Sensorsignals vor der ersten Ansteuerung niedriger als üblich ist. Zudem ist die Zeitkonstante, mit welcher die elektrische Ladung des Sensors abfließt, ebenfalls kleiner als üblich.
Ein Nebenschluss nach Masse mit einem Widerstand von z.B. 1 MOhm oder 100 kOhm führt im Wesentlichen zu einer Verschiebung des Signalpegels nach unten. Die Form des Sensorsignals ändert sich jedoch nicht nennenswert. Dagegen führt ein Nebenschluss nach Masse mit einem Widerstand von z.B. 10k Ohm zu einer deutlich erkennbaren Veränderung der Signalform. Typische Algorithmen (im Steuergerät) zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes, des Nadelumkehrzeitpunktes und des Nadelschließzeitpunktes können in einem solchen Fall unter Umständen deutlich fehlerhafte Messwerte liefern.
Mit den eingangs genannten Methoden zur Fehlererkennung (Diagnose) wird allerdings kein Fehler erkannt bzw. gemeldet, weil die Signalamplitude sogar leicht größer als im fehlerfreien Zustand sein kann. Auch bei einem Nebenschluss nach Masse mit einem Widerstand von z.B. 1 kOhm spricht die Diagnose noch nicht an, obwohl das Sensorsignal mit seiner ursprünglichen Form nicht mehr viel gemeinsam hat. Starke Veränderungen der Signalform führen meist dazu, dass im Steuergerät keine gültigen Messwerte für den Ventilöffnungszeitpunkt, den Nadelumkehrzeitpunkt oder den Nadelschließzeitpunkt mehr gefunden werden, weil die in den Algorithmen zur Signalauswertung enthaltene Plausibilisierungskriterien nicht erfüllt sind. Die genannten Beispiele mit den verschiedenen Widerständen und resultierenden Signalveränderungen sind in den Figuren gezeigt.
Ein Nebenschluss des Sensorsignals nach Masse (oder Batterie) kann also dazu führen, dass Messwerte fehlerhaft sind oder ganz ausbleiben. Typische Diagnoseverfahren erkennen einen elektrischen Nebenschluss jedoch nicht.
Ein Kurzschluss nach Masse wird in der Regel stets als ein mögliches und zu erwartendes Risiko angesehen, z.B. durch Einklemmen eines Kabels. Aber ein Nebenschluss mit einem Widerstand von mehreren kOhm ist bisher als wenig wahrscheinlich angesehen worden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere bei zwei Szenarien solche Nebenschlüsse auftreten können. Zum einen kann dies am Motorprüfstand oder in einem Versuchsfahrzeug der Fall sein, wenn Messgeräte angeschlossen werden, um das Sensorsignal aufzuzeichnen. Die Eingangsimpedanz der Messgeräte stellt einen Nebenschluss nach Masse dar. Dieses Problem kann z.B. durch die Verwendung eines Trennverstärkers gelöst werden.
Zum anderen hat sich herausgestellt, dass bei Montageprozessen Metallteile oder Metallspäne in der Kunststoffumspritzung des Steckers für den Sensor im Kraftstoffinjektor eingeschlossen werden könnten. Auf diese Weise eingeschlossene, sehr dünne Metallfäden können einen elektrischen Nebenschluss zwischen dem Sensorsignal und dem Körper des Kraftstoffinjektors (Masse) hervorrufen. Der elektrische Widerstand des im Injektor eingeschlossenen Metallfadens kann sehr stark variieren, z.B. je nach Geometrie des Metallfadens und seinem Kontakt zum Körper. Der Widerstandwert kann dabei stark von der Injektortemperatur abhängen. Manche Nebenschlüsse treten z.B. bei Raumtemperatur auf, andere hingegen erst bei hohen Temperaturen am Motor. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit ist es schwierig, solche fehlerhaften Kraftstoffinjektoren bei einer Prüfung im Werk zuverlässig zu erkennen. Andere Ursachen wie eine Kontamination des Sensors in der Fertigung könnten ebenfalls zu einem Nebenschluss führen.
Vor diesem Hintergrund wird nun, als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Vorgehen vorschlagen, um insbesondere anhand des Sensorsignals als wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals einen Fehler zu erkennen, der einen Kurzschluss, insbesondere den erwähnten Nebenschluss umfasst, z.B. nach Masse oder auch nach (positiver) Batteriespannung. Hierzu wird in einem vorgegebenen Zeitfenster (Messfenster) des Sensorsignals, insbesondere einem, das den Zeitpunkt eines Öffnens des Schaltventils (Ventilöffnungszeitpunkt) als Betriebspunkt umfasst, ein Signalpegel des Sensorsignals als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt. Anhand des Signalpegels wird dann bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt. Ein Beginn des vorgegebenen Zeitfensters kann z.B. in Abhängigkeit von einem Beginn, ggf. auch von einem Ende der Ansteuerung des Aktors bestimmt werden. Die Länge kann ebenfalls geeignet gewählt werden. Unter einem Signalpegel ist dabei insbesondere ein ggf. mittlerer Wert des Sensorsignals bzw. von dessen Amplitude zu verstehen, der vorliegt, bevor sich das Sensorsignal aufgrund der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors bzw. von dessen Aktor verändert. Es handelt sich also um eine Art Ruhepegel.
Vorzugsweise wird der Signalpegel im Messfenster ‚Ventilöffnen‘ bei der zeitlich ersten Ansteuerung einer Einspritzsequenz bestimmt, weil dort der Verlauf des Sensorsignals in der Regel weitgehend konstant ist. Hydraulische Druckschwingungen, welche von vorhergehenden Einspritzungen ausgelöst wurden, sind dort in der Regel vollständig oder weitgehend abgeklungen.
Der Signalpegel kann dabei insbesondere mit einem oder mehreren Pegel-Schwellwerten verglichen werden, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt. Als Pegel-Schwellwerte kommen dabei insbesondere die schon für die herkömmliche Fehlererkennung verwendeten Schwelwerte bzw. Erkennungsschwellen in Betracht.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Fehlererkennung über den Signalpegel zusätzlich zu den erwähnten, herkömmlichen Fehlererkennungen vorgenommen werden kann.
Zur Erhöhung der Robustheit der Fehlerkennung, also des Diagnoseverfahrens, kann zudem geprüft werden, ob vor dem Messfenster ‚Ventilöffnen‘ eine ausreichend große Einspritzpause (z.B. 2ms) vorhanden war. Hiermit kann sichergestellt werden, dass der Signalpegel hinreichend stabil und zuverlässig ist und nicht ggf. durch hydraulische Druckschwingungen einer dicht vorhergehenden Einspritzung verfälscht ist.
Beide Überwachungen bzw. Fehlererkennungen „Signalamplitude im Messfenster 'Nadelumkehrpunkt'“ und „Signalpegel im Messfenster 'Ventilöffnen'“ können, wie erwähnt, parallel und unabhängig voneinander ablaufen. Die Fehlerinformationen beider Verfahren können im Sinne einer logischen ODER-Verknüpfung gesammelt werden.
Eine Fallunterscheidung, ob es sich um einen elektrischen Kurzschluss (z.B. Widerstand kleiner als 400 Ohm) oder um einen elektrischen Nebenschluss (z.B. Widerstand größer als 400 Ohm) ist auch möglich. Zur Vereinfachung der On-Board-Diagnose wird jedoch vorgeschlagen, für beide Fehlerarten einen gemeinsamen Fehlerpfad zu verwenden, weil die Fehlersuchstrategie in der Werkstatt in beiden Fällen identisch ist.
Die Fehlerentprellung ändert sich gegenüber dem bisherigen Diagnosekonzept nicht. Lediglich die Bedeutung der Fehlerpfade erweitert sich. Kurzschluss oder Nebenschluss nach Masse, und Kurzschluss oder Nebenschluss nach Batterie.
Zudem kann vorgesehen sein, den Nebenschluss-Widerstand anhand des Signalpegels zu berechnen. Beispielseise für die Werkstattdiagnose oder zur Flottenbeobachtung im Feld kann es nämlich vorteilhaft sein, wenn zusätzlich zu dem Fehlerpfad noch ergänzende Informationen zu einem elektrischen Fehler bekannt sind. Hierfür können aus einem typischerweise in der Software vorhandenen Digitalwert des Signalpegels bestimmte physikalische Größen berechnet werden. Dies ist z.B. der Wert der elektrischen Spannung des Signalpegels. Die Umrechnung kann über eine im Steuergerät hinterlegte Kennlinie erfolgen. Dieser Spannungswert entspricht dann in etwa dem, was mit einem Multimeter am Steuergeräte-Stecker oder an einem der Injektoren gemessen würde. Zudem kann der Widerstandswert eines elektrischen Nebenschlusses nach Masse oder Batterie bestimmt werden. Für einen Nebenschluss nach Masse kann zur Umrechnung eine im Steuergerät hinterlegte Kennlinie verwendet werden. Für einen Nebenschluss nach Batterie ist zur Umrechnung ein Kennfeld erforderlich, weil der Wert zusätzlich von der Batteriespannung abhängt.
Die genannten Zusatzinformationen können z.B. als Freeze-Frame-Daten im Fehlerspeicher abgelegt werden. Ebenso können die Werte auch bei der Fehlersuche in der Werkstatt auf einem Diagnosetester angezeigt werden.
Nachfolgend soll der Aspekt des erhöhten Übergangswiderstands betrachtet werden. Ein erhöhter Übergangswiderstand, also ein Übergangswiderstand zwischen dem Sensor und einer Ausleseeinheit, der höher als ein Sollwert (oder Normal- oder Referenzwert) ist, kann mit oben beschriebenem Diagnosekonzept nur dann erkannt werden, wenn die Dämpfung durch das RC-Glied aus Übergangswiderstand und Eingangskapazität die Signalamplitude deutlich reduziert. Das entspricht einem Widerstandswert des Übergangswiderstands von ungefähr 400 kOhm im Leerlauf und 800 kOhm bei Volllast (der Brennkraftmaschine).
Ein erhöhter Übergangswiderstand zwischen Sensor (NCS) und Steuergerät hat jedoch Auswirkungen. Ein solcher Übergangswiderstand bildet mit der Eingangskapazität der NCS-Messschaltung (Ausleseeinheit) im Steuergerät einen RC-Tiefpass. Diese zusätzliche Filterung hat insbesondere zwei Auswirkungen. Zum einen wird das Sensorsignal durch das Tiefpassfilter gedämpft und die Amplitude des Sensorsignals wird verringert. Zum anderen wird die Zeitkonstante, mit welcher die elektrische Ladung des Sensors in die Messschaltung fließt, größer. Die Merkmale im Sensorsignal werden also zeitlich nach spät verschoben.
Wie sich gezeigt hat, ist bei einem Übergangswiderstand von z.B. 50 kOhm das Sensorsignal deutlich glatter als das Signal im fehlerfreien Zustand. Algorithmen zur Bestimmung der Zeitpunkte: Ventilöffnen, Nadelumkehrpunkt und Nadelschließen können bei diesem Übergangswiderstand bereits deutlich fehlerhafte Messwerte liefern. Mit steigendem Übergangswiderstand sinkt die Grenzfrequenz der Tiefpassfilterung, sodass die Form des Sensorsignals bei z.B. 500 kOhm nicht mehr viel mit der ursprünglichen Form gemeinsam hat. Derartig starke Veränderungen der Signalform führen meist dazu, dass im Steuergerät keine gültigen Messwerte für den Ventilöffnungszeitpunkt, den Nadelumkehrzeitpunkt oder den Nadelschließzeitpunkt mehr gefunden werden, weil die in den Algorithmen zur Signalauswertung enthaltenen Plausibilisierungskriterien nicht erfüllt werden. Die genannten Beispiele mit den verschiedenen Widerständen und resultierenden Signalveränderungen sind in den Figuren gezeigt.
Das oben beschriebene Diagnoseverfahren meldet z.B. selbst bei einem Übergangswiderstand von 400 kOhm keinen Fehler, da die Amplitude des Signals noch oberhalb der Diagnoseschwelle für die Amplitude liegt. Ein erhöhter Übergangswiderstand am Sensor (NCS) kann also dazu führen, dass Messwerte fehlerhaft sind oder ausfallen. Typische Diagnoseverfahren erkennen einen erhöhten Übergangswiderstand jedoch nicht.
Auch wenn die Auftretenswahrscheinlichkeit eines erhöhten Übergangswiderstandes am NCS gering ist, kann eine Ursache z.B. eine Schüttelbelastung des Injektors sein, welche zum Abrieb der Silberbeschichtung am Steckerpin führt. Zusätzlich könnte Feuchtigkeit in den Stecker eintreten, wodurch das darunterliegende Kupfer korrodiert wird.
Vor diesem Hintergrund wird nun, als ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Vorgehen vorschlagen, um insbesondere anhand der Anstiegszeit als wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals einen Fehler zu erkennen, der einen Übergangswiderstand zwischen dem Sensor und einer Ausleseeinheit umfasst, der höher als ein Sollwert ist.
Hierzu wird in einem vorgegebenen Zeitfenster (Messfenster) des Sensorsignals, insbesondere einem, das den Zeitpunkt eines Umkehrens der Düsennadel des Kraftstoffinjektors (Nadelumkehrzeitpunkt) als Betriebspunkt umfasst, eine Anstiegszeit des Sensorsignals als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt. Anhand der Anstiegszeit wird dann bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt. Ein Beginn des vorgegebenen Zeitfensters kann z.B. in Abhängigkeit von einem Beginn, ggf. auch von einem Ende der Ansteuerung des Aktors bestimmt werden. Die Länge kann ebenfalls geeignet gewählt werden. Unter einer Anstiegszeit ist dabei insbesondere eine Zeitdauer zu verstehen, die benötigt wird, bis die Amplitude oder der ggf. mittlere Wert des Sensorsignals von einem unteren Pegel (zu Beginn des Messfensters) auf einen oberen Pegel (zum Ende des Messfensters) angestiegen ist.
Die Anstiegszeit des Sensorsignals im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ wird vorzugsweise anhand eines Gradientenverlaufs ermittelt, also eines Verlaufs einer zeitlichen Ableitung des Sensorsignals. Dazu werden z.B. anhand des maximalen Gradienten im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ über einen Schwellwertfaktor eine Schwelle berechnet und im Weiteren die Zeitpunkte ermittelt, wann dieser Schwellwert vor und nach dem Zeitpunkt des maximalen Gradienten durchschritten wird. Die Anstiegszeit kann dann als Differenz zwischen den zwei Zeitpunkten der Schwellwertdurchschreitung berechnet werden. Alternativ kann am Sensorsignal (Rohsignal) unter Verwendung der Amplitude eine Anstiegszeit ermittelt werden.
Die Anstiegszeit des Sensorsignals im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ hängt unter anderem von der Ansteuerdauer, dem Raildruck (Druck im Hochdruckspeicher, über den der Kraftstoffinjektor mit Kraftstoffversorgt wird), der Injektortemperatur und dem Kraftstoff ab und unterliegt im Fahrbetrieb einer hohen Dynamik. Da dynamische Änderungen des Betriebspunktes (der Brennkraftmaschine) an allen Zylindern in ähnlichem Maße auftreten, kann ein erhöhter Übergangswiderstand an einem Injektor durch den Vergleich mit den Injektoren an anderen Zylindern detektiert werden. Der Injektor am betroffenen Zylinder weist im Vergleich zu den anderen Zylindern eine erhöhte Anstiegszeit auf.
Vorzugsweise wird die Anstiegszeit also mit einer Referenz-Anstiegszeit verglichen, und in Abhängigkeit von dem Vergleich wird bestimmt, ob ein Fehler vorliegt. Wenn die Anstiegszeit um mehr als einen vorgegebenen Zeit-Schwellwert höher als die Referenz-Anstiegszeit ist, wird z.B. bestimmt, dass ein Fehler vorliegt. Als Referenz-Anstiegszeit kommt dann also insbesondere eine Anstiegszeit eines anderen Kraftstoffinjektors der Brennkraftmaschine oder einer mittleren Anstiegszeit mehrerer andere Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine in Betracht.
Vorzugsweise wird in jedem Einspritzzyklus derjenige Zylinder mit der zweitkleinsten Anstiegszeit ermittelt und für jeden Zylinder die Differenz dazu gebildet. Zur weiteren Erhöhung der Robustheit kann die Differenz für jeden Zylinder PT1-gefiltert werden. Überschreitet der Ausgang des PT1-Filters eine Erkennungsschwelle, dann wird ein erhöhter Übergangswiderstand erkannt bzw. ggf. gemeldet.
Um in jedem Einspritzzyklus Anstiegszeiten zu ähnlichen Ansteuerdauern zu vergleichen, kann die Differenz zur zweitkleinsten Anstiegszeit vorzugsweise einspritztypspezifisch, oder nur bei einem Einspritztyp, z.B. der Haupteinspritzung, berechnet werden.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Fehlererkennung über den Signalpegel zusätzlich zu den erwähnten, herkömmlichen Fehlererkennungen vorgenommen werden kann, insbesondere aber auch nur dann, wenn diese anderen Fehlererkennungen zu keinem erkannten Fehler führen. Auch kann die Erkennung hinsichtlich des erhöhten Übergangswiderstands zusätzlich zu derjenigen des Nebenschlusses erfolgen.
Da bei einer elektrischen Unterbrechung am Sensor (NCS) oder einem Kurzschluss des NCS nach Batteriespannung oder Masse die Überwachung der Anstiegszeit keine sinnvollen Ergebnisse liefern würde, erfolgt die Überwachung „Signalamplitude im Messfenster 'Nadelumkehrpunkt'“ zur Detektion einer elektrischen Unterbrechung vorzugsweise vor der Überwachung „Anstiegszeit im Messfenster ‘Nadelumkehrpunkt'“. Eine Fallunterscheidung, ob es sich um eine elektrische Unterbrechung oder um einen erhöhten Übergangswiderstand handelt, ist auch möglich. Zur Vereinfachung der On-Board-Diagnose wird jedoch vorgeschlagen, für beide Fehlerarten einen gemeinsamen Fehlerpfad zu verwenden, weil die Fehlersuchstrategie in der Werkstatt in beiden Fällen identisch ist. Die Fehlerentprellung ändert sich auch hier gegenüber dem bisherigen Diagnosekonzept nicht.
Insgesamt ergeben sich mit jedem der vorgeschlagenen Aspekte folgende Vorteile: Die Zuverlässigkeit und die Produktsicherheit des gesamten Systems zur Kraftstoffeinspritzung werden verbessert. Das Risiko von unerwünschten Fehlfunktionen und/oder Kundenbeanstandungen im Feld sinkt. Die Werkstattdiagnose wird verbessert. Der Kunde spart Zeit und Kosten bei der Fehlersuche. Außerdem können die gesetzlichen OBD-Anforderungen besser oder leichter eigenhalten werden. Der Aufwand für die Zertifizierung neuer Fahrzeugtypen sinkt.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
2 zeigt schematisch ein Schaltventil eines Kraftstoffinjektors, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 bis 11 zeigen Signalverläufe zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
12 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
13 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
14 bis 19 zeigen Signalverläufe zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
20 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 160 gezeigt, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Beispielhaft umfasst die Brennkraftmaschine 160 drei Brennräume bzw. zugehörige Zylinder 165. Jedem Brennraum 165 ist ein Kraftstoffinjektor 170 mit einem Schaltventil 100 zugeordnet, welcher wiederum jeweils an einen Hochdruckspeicher 175, ein sog. Rail, angeschlossen ist und über welchen er mit Kraftstoff versorgt wird. Es versteht sich, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei einer Brennkraftmaschine mit einer beliebigen anderen Anzahl an Zylindern, beispielsweise eins, zwei, vier, fünf, sechs, acht, zehn oder zwölf Zylinder usw., durchgeführt werden kann.
Der Hochdruckspeicher 175 wird über eine Hochdruckpumpe 161 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 195 gespeist. Die Hochdruckpumpe 161 ist mit der Brennkraftmaschine 160 gekoppelt, und zwar beispielsweise derart, dass die Hochdruckpumpe über die Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Eine Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren 170 zum Zumessen bzw. Einspritzen von Kraftstoff in die jeweiligen Brennräume 165 erfolgt über eine als Motorsteuergerät 180 ausgebildete Recheneinheit. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die Verbindung vom Motorsteuergerät 180 zu einem Kraftstoffinjektor 170 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass jeder Kraftstoffinjektor 170 an das Motorsteuergerät entsprechend angeschlossen ist. Jeder Kraftstoffinjektor 170 kann dabei spezifisch angesteuert werden. Ferner ist das Motorsteuergerät 180 beispielsweise dazu eingerichtet, den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 175 mittels eines Drucksensors 190 zu erfassen.
In 2 ist schematisch ein beispielhaft als Magnetventil ausgebildetes (druckausgeglichenes) Schaltventil bzw. Servo-Ventil eines Kraftstoffinjektors 170 gezeigt, der hier nur teilweise angedeutet ist und bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Schaltventil 100 weist einen Elektromagneten 110 mit einer Magnetspule 111 als Aktor auf, die beispielsweise ringförmig ausgebildet sein kann. Bei Anlegen einer Spannung, beispielsweise durch eine ausführende Recheneinheit 180, fließt in der Magnetspule 111 ein Strom I.
Weiterhin ist ein Magnetanker 120 vorgesehen, mit dem eine Durchfluss- und Ablauföffnung 150 des Schaltventils 100 verschlossen bzw. freigegeben werden kann. Weiterhin ist eine Feder 130 vorgesehen, die an dem Magnetanker 120 angreift und ohne Bestromung der Magnetspule 111 und somit ohne Magnetkraft den Anker 120 in bzw. gegen die Durchlassöffnung 150 drückt und diese verschließt. Die Feder 130 kann an ihrer dem Magnetanker abgewandten Seite an einer geeigneten (hier nicht gezeigten) Komponente des Schaltventils 100 in Anschlag sein.
Bei Bestromung der Magnetspule 111 wird eine Magnetkraft aufgebaut und der Magnetanker 120 wird gegen die Federkraft der Feder 130 angehoben und in Richtung der Magnetspule 111 bzw. des Elektromagneten 110 gezogen. Die Durchlassöffnung 150 wird dabei freigegeben. Bei entsprechender Bestromung der Magnetspule kann der Magnetanker 120 bis zum Anschlag an einem an dem Elektromagneten 110 angeordneten Einstellring 115 angehoben werden.
Kraftstoff, der sich in einem Ventilraum 140 und einem damit verbundenen Steuerraum 142 des Kraftstoffinjektors befindet und zunächst aufgrund eines hohen Drucks auf eine Düsennadel 145 drückt und diese in einen Sitz drückt und so eine Einspritzung von Kraftstoff verhindert, kann bei Freigabe der Durchflussöffnung 150 in den Rücklauf 155 abfließen und beispielsweise einem Kraftstofftank zugeführt werden. Damit dient die Durchflussöffnung 150 als Ablauföffnung. Bei entsprechenden Druckverhältnissen und entsprechender Menge an Kraftstoff, die in den Rücklauf geführt wird, kann die Düsennadel 145 angehoben werden, um eine Öffnung 147 des Kraftstoffinjektors für Kraftstoff freizugeben, zumal durch eine Zulauföffnung 148 weniger Kraftstoff nachgeführt wird, als durch die Ablauföffnung 150 abgeführt wird. Somit bildet die Durchfluss- bzw. Ablauföffnung 150 zugleich eine Ablaufdrossel.
Mittels eines Sensors 141, eines sog. NC-Sensors, beispielsweise in Form eines Piezo-Elements, können Druckänderungen in dem Ventilraum 140 erfasst werden. Hierzu ist der Sensor 141 am Ende eines Bolzens 123, der durch den Magnetanker 120 hindurchführt, angeordnet. Über den Bolzen 123 wirken sich Druckänderungen auf den Sensor 141 aus. Der Sensor 141 sitzt dabei in einer Halteplatte 146 des Ablaufs bzw. einem Gehäuseteil.
In 3 ist eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind für den Kraftstoffinjektor 170 insbesondere die Magnetspule 111 sowie der Sensor 141 (hier als Kapazität dargestellt) gezeigt, sowie eine Ausleseeinheit oder Messschaltung 182, die Teil der Recheneinheit 180 sein kann. Dort sind insbesondere Kapazitäten C1 und C2 sowie Widerständen R1, R2, R3 und R4 sowie ein AD-Wandler 184 und eine Versorgungsspannung V+ gezeigt. Weiterhin ist mittels eines Widerstands R_GND ein Nebenschluss (Kurzschluss) des Sensors 141 nach Masse GND dargestellt.
Die Werte der Komponenten in der Messschaltung können z.B. die folgenden sein: C1 = 13,2 nF, C2 = 22 pF, R1 = 100 kOhm, R2 = 215k Ohm, R3 = 82,5 kOhm, R4 = 1 kOhm, V+ = 5 V. Es versteht sich, dass diese Werte nur beispielhaft für eine mögliche Messschaltung sind, jedoch werden anhand dieser nachfolgend für verschiedene, mögliche Werte für R_GND Auswirkungen auf das Sensorsignal erläutert.
In 4 sind Verläufe für den Strom I, der an die Magnetspule bei der Ansteuerung angelegt wird, des Ventilhubs hv (also des Hubs des Magnetankers des Schaltventils), des Nadelhubs h_N (also des Hubs der Düsennadel des Kraftstoffinjektors) und das Sensorsignal S des NCS als Spannung U, jeweils über der Zeit t, aufgetragen.
Dabei sind insbesondere der Ventilöffnungszeitpunkt t_O,V, der Nadelumkehrzeitpunkt t_U,N und der Nadelschließzeitpunkt t_S,N eingetragen. Zudem sind zugehörige Zeit- bzw. Messfenster gezeigt, in denen diese Zeitpunkte liegen, nämlich ein Messfenster Δt_O ‚Ventilöffnung‘, ein Messfenster Δt_U ‚Nadelumkehr‘ und ein Messfenster Δt_S ‚Nadelschließen‘. Zudem ist ein Zeitpunkt t_EOE des Endes der Ansteuerung gezeigt (EOE steht für „End of Energizing“).
In den 5 bis 8 sind Sensorsignale bzw. deren Verläufe für verschiedene Werte des Widerstands R_GND gemäß 3 als reale Messwerte gezeigt. Diese durch den Widerstand R_GND veränderten Signalverläufe sind mit S₁ (R_GND = 1 MOhm), S₂ (R_GND = 100 kOhm), S₃ (R_GND = 10 kOhm) und S₄ (R_GND = 1 kOhm) bezeichnet, während mit S_R ein Referenz-Verlauf gezeigt ist, der für einen unendlichen Widerstand RGND = ∞, also ohne Nebenschluss, gilt. Der Referenz-Verlauf entspricht hierbei im Grunde dem Verlauf S aus 4. Zudem ist der Strom I wie in 4 gezeigt.
Wie schon erwähnt, sind die genannten Auswirkungen eines Nebenschlusses hier sehr gut zu erkennen. Ein Nebenschluss nach Masse mit R_GND = 1 MOhm oder 100 kOhm führt im Wesentlichen zu einer Verschiebung des NCS Signalpegels nach unten. Die Form des NCS Signals ändert sich jedoch nicht nennenswert.
Dagegen führt ein Nebenschluss nach Masse mit R_GND = 10 kOhm zu einer deutlich erkennbaren Veränderung der Signalform. Die Algorithmen im Steuergerät zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes, des Nadelumkehrzeitpunktes und des Nadelschließzeitpunktes können unter Umständen deutlich fehlerhafte Messwerte liefern. Herkömmliche Diagnoseverfahren melden jedoch in der Regel keinen Fehler, weil die Signalamplitude wie z.B. in 7 zu sehen sogar leicht größer als im fehlerfreien Zustand ist. Wie die Signalamplitude A definiert werden kann, ist z.B. in 8 gezeigt.
Auch bei einem Nebenschluss nach Masse mit R_GND = 1 kOhm (8) spricht die Diagnose noch nicht an, obwohl das Sensor- bzw. NCS-Signal mit seiner ursprünglichen Form nicht mehr viel gemeinsam hat. Hier ist auch der Signalpegel P für den Referenz-Verlauf sowie der veränderte Signalpegel P' für den Verlauf mit Nebenschluss nach Masse eingetragen.
Derartig starke Veränderungen der Signalform führen meist dazu, dass im Steuergerät keine gültigen Messwerte für den Ventilöffnungszeitpunkt, den Nadelumkehrzeitpunkt oder den Nadelschließzeitpunkt mehr gefunden werden, weil die in den Algorithmen zur Signalauswertung enthaltene Plausibilisierungskriterien nicht erfüllt sind.
Nachfolgend soll ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere hinsichtlich des Aspekts des Nebenschlusses, beispielhaft näher erläutert werden.
Zunächst wird der Signalpegel des Sensorsignals bestimmt bzw. gemessen. Das Sensorsignal weist drei charakteristische Merkmale auf: Ventilöffnungszeitpunkt, Nadelumkehrzeitpunkt und Nadelschließzeitpunkt, wie in 4 gezeigt. Zur Bestimmung der drei Zeitpunkte kann das Sensorsignal z.B. im Steuergerät jeweils in einem definierten Zeitintervall abgetastet und digitalisiert werden. Die als Mess- oder Zeitfenster bezeichneten Zeitintervalle sind in 4 dargestellt. Grundsätzlich kann in jedem der drei Messfenster ein Signalpegel ermittelt werden. Vorzugsweise wird der Signalpegel jedoch im Messfenster ‚Ventilöffnen‘ bei der zeitlich ersten Ansteuerung einer Einspritzsequenz bestimmt, weil dort der Verlauf des Sensorsignals in der Regel weitgehend konstant ist.
Dies ist in 9 zu sehen, in der mehrere Einspritzungen hintereinander gezeigt sind; bei der ersten jedoch ist vor Beginn der Ansteuerung der Signalpegel P konstant, insbesondere bis zu dem mittels eines Pfeils bezeichneten Zeitpunkt. Hydraulische Druckschwingungen, die von vorhergehenden Einspritzungen ausgelöst wurden, sind dort in der Regel vollständig oder weitgehend abgeklungen.
Wie in 10 gezeigt, beginnt das Messfenster Δt_O ‚Ventilöffnen‘ vorzugsweise in einem zeitlich festen Abstand T1 vor dem Beginn der elektrischen Ansteuerung zum Zeitpunkt t_SOE (SOE steht für „Start Of Energizing“).
Die Breite bzw. Dauer T2 des Messfensters kann für alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine eine konstante Größe aufweisen, wenn T2 hinreichend groß gewählt wird. Alternativ können der Abstand T1 und/oder die Breite T2 auch betriebspunktabhängig variabel implementiert werden.
Wie in 11 gezeigt, wird der Signalpegel P im Messfenster 'Ventilöffnen' vorzugsweise als Mittelwert des Sensorsignals in einem definierten Zeitintervall vor dem Ansteuerbeginn der zeitlich ersten Ansteuerung einer Einspritzsequenz berechnet. In dem Beispiel wird als Signalpegel P der Mittelwert der letzten sechs Abtastwerte (als Punkte bzw. Messpunkte in 11 gezeigt) des Sensorsignals vor dem Ansteuerbeginn verwendet.
Als nächstes folgen eine Erkennung und Klassifizierung der elektrischen Fehler. Bei der herkömmlichen Diagnose wird zuerst geprüft, ob die Signalamplitude im Messfenster Δtu ‚Nadelumkehrpunkt‘ unplausibel zu klein ist. Falls ja, wird der Mittelwert des Sensorsignals im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ berechnet. Anhand des Mittelwertes wird der Fehler einem der drei möglichen Fehlertypen zugeordnet. Wenn das Sensorsignal unterbrochen ist (Kabelbruch oder Sensorausfall), dann wird im Steuergerät ein Ruhepegel des Sensorsignals gemessen, welcher etwa 3 V beträgt. Bei einem Kurzschluss nach Masse ist der Pegel des Sensorsignals deutlich kleiner als 3 V. Bei einem Kurzschluss nach Batterie ist der Pegel des Sensorsignals deutlich größer als 3 V.
Zur Klassifizierung der Fehler werden bevorzugt zwei Erkennungsschwellen verwendet. Wenn der Mittelwert zum Beispiel kleiner als 1,3 V (untere Erkennungsschwelle) ist, dann wird ein Kurzschluss nach Masse gemeldet. Wenn der Mittelwert zum Beispiel größer als 7 V (obere Erkennungsschwelle) ist, dann wird ein Kurzschluss nach Batterie gemeldet. Vorzugsweise sollte die obere Erkennungsschwelle in Abhängigkeit von der Batteriespannung definiert werden. Mit zunehmender Batteriespannung sollte die obere Erkennungsschwelle größer werden. Die gleichen Erkennungsschwellen können verwendet werden, um den Messwert des Signalpegels P im Messfenster ‚Ventilöffnen‘ zu überprüfen.
Der Algorithmus zur Erkennung und Klassifizierung von elektrischen Kurzschlüssen oder Nebenschlüssen anhand des Signalpegels im Messfenster 'Ventilöffnen' ist in 12 anhand eines Flussdiagramms dargestellt. Zunächst erfolgt eine Initialisierung (Schritt 1200), in der z.B. der Wert für den Signalpegel auf Null gesetzt wird. In Schritt 1202 wird geprüft, ob ein neuer Messwert für den Signalpegel vorhanden ist. Falls ja (Y), wird in Schritt 1204 geprüft, für welchen Zylinder bzw. den Kraftstoffinjektor welchen Zylinders das gilt.
Anhand der vier Beispiele in den 5 bis 9 ist sehr gut zu erkennen, dass ein elektrischer Nebenschluss den Signalpegel P deutlich stärker verändert als die Signalamplitude. Zur Erhöhung der Robustheit des Diagnoseverfahrens wird bei dem Verfahren in 12 in Schritt 1206 z.B. geprüft, ob vor dem Messfenster ‚Ventilöffnen‘ eine ausreichend große Einspritzpause (z.B. 2 ms) vorhanden war. Hiermit wird sichergestellt, dass der Signalpegel hinreichend stabil und zuverlässig ist und nicht gegebenenfalls durch hydraulische Druckschwingungen einer dicht vorhergehenden Einspritzung verfälscht ist. Falls dem so ist (Y), werden die beiden genannten Erkennungsschwellen geprüft. Ist der Signalpegel größer als die obere Erkennungsschwelle (Prüfung in Schritt 1208), wird in Schritt 1212 für den betreffenden Zylinder ein Fehler eingetragen, der Fehler Kurz- oder Nebenschluss nach Batterie wird in Schritt 1216 ausgegeben.
Falls der Signalpegel kleiner als die untere Erkennungsschwelle (Prüfung in Schritt 1210) ist, wird in Schritt 1214 für den betreffenden Zylinder ein Fehler eingetragen, der Fehler Kurz- oder Nebenschluss nach Masse wird in Schritt 1218 ausgegeben.
Falls keiner der Fälle zutrifft, wird für keinen Zylinder ein Fehler eingetragen (Schritt 1220). In Schritt 1222 kann ausgegeben werden, dass der Signalpegel in Ordnung ist und die beiden genannten Fehler daher nicht vorliegen.
Beide Überwachungen „Signalamplitude im Messfenster 'Nadelumkehrpunkt'“ und „Signalpegel im Messfenster 'Ventilöffnen'“ laufen insbesondere parallel und unabhängig voneinander ab. Die Fehlerinformationen beider Verfahren werden bevorzugt im Sinne einer logischen ODER-Verknüpfung gesammelt.
Zudem kann eine Fehlerentprellung erfolgen. Die Fehlerentprellung ändert sich gegenüber einem herkömmlichen bestehenden Diagnosekonzept jedoch nicht. Lediglich die Bedeutung der Fehlerpfade erweitert sich (Nebenschluss zusätzlich zu Kurzschluss).
In 13 ist eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Schaltungsanordnung entspricht derjenigen aus 3, jedoch ist anstelle des Widerstands nach Masse hier ein erhöhter Übergangswiderstand R_NCS zwischen dem Sensor 141 und der Messschaltung 182 gezeigt.
Die Werte der Komponenten in der Messschaltung können auch z.B. die folgenden sein: C1 = 13,2 nF, C2 = 22 pF, R1 = 100 kOhm, R2 = 215 kOhm, R3 = 82,5 kOhm, R4 = 1 kOhm, V+ = 5 V. Es versteht sich, dass diese Werte auch hier nur beispielhaft für eine mögliche Messschaltung sind, jedoch werden anhand dieser nachfolgend für verschiedene, mögliche Werte für R_NCS Auswirkungen auf das Sensorsignal erläutert.
In den 14 bis 17 sind Sensorsignale bzw. deren Verläufe für verschiedene Werte des Widerstands R_NCS gemäß 13 als reale Messwerte gezeigt. Diese durch den Widerstand R_NCS veränderten Signalverläufe sind mit S₅ (R_NCS = 50 kOhm), S₆ (R_NCS = 100 kOhm), S₇ (R_NCS = 200 kOhm) und S₈ (R_NCS = 500 kOhm) bezeichnet, während mit S'_R ein Referenz-Verlauf gezeigt ist, der für einen nicht vorhandenen Widerstand (R_NCS = 0) gilt. Der Referenz-Verlauf entspricht hierbei im Grunde dem Verlauf S aus 4. Zudem ist der Strom I wie in 4 gezeigt.
Wie erwähnt, ist bereits bei einem Übergangswiderstand von 50 kOhm das Sensorsignal deutlich glatter als das Signal im fehlerfreien Zustand (14). Die Algorithmen im Steuergerät zur Bestimmung der Zeitpunkte Ventilöffnen, Nadelumkehrpunkt und Nadelschließen können bei diesem Übergangswiderstand bereits deutliche fehlerhafte Messwerte liefern. Mit steigendem Übergangswiderstand sinkt die Grenzfrequenz der Tiefpassfilterung (15 und 16), sodass die Form des Sensorsignals bei 500 kOhm (17) nicht mehr viel mit der ursprünglichen Form S'_R gemeinsam hat.
Derartig starke Veränderungen der Signalform führen meist dazu, dass im Steuergerät keine gültigen Messwerte für den Ventilöffnungszeitpunkt, den Nadelumkehrzeitpunkt oder den Nadelschließzeitpunkt mehr gefunden werden, weil die in den Algorithmen zur Signalauswertung enthaltene Plausibilisierungskriterien nicht erfüllt werden.
Nachfolgend soll ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, insbesondere hinsichtlich des Aspekts des erhöhten Übergangswiderstands, beispielhaft näher erläutert werden.
Zunächst wird die Anstiegszeit bestimmt. Das Sensorsignal weist drei charakteristische Merkmale auf: Ventilöffnungszeitpunkt, Nadelumkehrzeitpunkt und Nadelschließzeitpunkt, wie in 4 gezeigt. Zur Bestimmung der drei Zeitpunkte kann das Sensorsignal z.B. im Steuergerät jeweils in einem definierten Zeitintervall abgetastet und digitalisiert werden. Die als Mess- oder Zeitfenster bezeichneten Zeitintervalle sind in 4 dargestellt. Grundsätzlich kann in jedem der drei Messfenster eine Anstiegszeit ermittelt werden. Aufgrund der Höhe des Signalanstiegs wird die Anstiegszeit vorzugsweise im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ ermittelt.
Wie in 18 gezeigt, beginnt das Messfenster Δtu ‚Nadelumkehrpunkt‘ vorzugsweise in einem zeitlich festen Abstand T1' nach dem Ende der elektrischen Ansteuerung (t_EOE, vgl. hierzu auch 4). Die Dauer bzw. Breite T2' des Messfensters kann für alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine eine konstante Größe aufweisen, wenn T2' hinreichend groß gewählt wird. Alternativ können der Abstand T1' und/oder die Breite T2' auch betriebspunktabhängig variabel implementiert werden.
Die Anstiegszeit des Sensorsignals im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ wird vorzugsweise anhand des Gradientenverlaufes S' wie in 19 dargestellt ermittelt. In dem Beispiel ist das Sensorsignal als Punkte (Messpunkte) gezeigt. Der Gradient wird dabei zu jedem Messpunkt z.B. als Differenz des Messpunkts zu dem vorhergehenden oder dem nachfolgenden Messpunkt bestimmt.
Dazu werden anhand des maximalen Gradienten bzw. des maximalen Werts des Gradientenverlaufs S' im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘, hier mit t_max bezeichnet, über einen Schwellwertfaktor eine Schwelle S's berechnet und im Weiteren die Zeitpunkte ermittelt, wann dieser Schwellwert vor und nach dem Zeitpunkt t_max durchschritten wird. Die Anstiegszeit Δt_A kann dann als Differenz zwischen den zwei Zeitpunkten der Schwellwertdurchschreitung berechnet werden. Alternativ kann am Sensorsignal unter Verwendung der Amplitude eine Anstiegszeit ermittelt werden.
Als nächstes folgt eine Erkennung des elektrischen Fehlers. Bei der herkömmlichen Diagnose wird zuerst geprüft, ob die Signalamplitude im Messfenster Δtu ‚Nadelumkehrpunkt‘ unplausibel zu klein ist. Falls ja, wird der Mittelwert des Sensorsignals im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ berechnet. Anhand des Mittelwertes wird der Fehler einem der drei möglichen Fehlertypen zugeordnet. Wenn das Sensorsignal unterbrochen ist (Kabelbruch oder Sensorausfall), dann wird im Steuergerät ein Ruhepegel des Sensorsignals gemessen, welcher etwa 3 V beträgt. Bei einem Kurzschluss nach Masse ist der Pegel des Sensorsignals deutlich kleiner als 3 V. Bei einem Kurzschluss nach Batterie ist der Pegel des Sensorsignals deutlich größer als 3 V.
Zur Klassifizierung der Fehler werden bevorzugt zwei Erkennungsschwellen verwendet. Wenn der Mittelwert zum Beispiel kleiner als 1,3 V (untere Erkennungsschwelle) ist, dann wird ein Kurzschluss nach Masse gemeldet. Wenn der Mittelwert zum Beispiel größer als 7 V (obere Erkennungsschwelle) ist, dann wird ein Kurzschluss nach Batterie gemeldet. Vorzugsweise sollte die obere Erkennungsschwelle in Abhängigkeit von der Batteriespannung definiert werden. Mit zunehmender Batteriespannung sollte die obere Erkennungsschwelle größer werden.
Liegt keiner dieser Fehler vor, erfolgt die Überprüfung auf einen erhöhten Übergangswiderstand anhand der Anstiegszeit. Ein Algorithmus zur Erkennung dieses Fehlers ist in 20 anhand eines Flussdiagramms dargestellt. Zunächst erfolgt eine Initialisierung (Schritt 2000), in der z.B. der Wert für die Anstiegszeit auf Null gesetzt wird. In Schritt 2002 wird geprüft, ob ein euer Messwert für die Anstiegszeit für jeden Zylinder, insbesondere jeweils zur vorhergehenden Einspritzsequenz, vorliegt. Falls ja (Y), werden, in Schritt 2004, diese Werte der Anstiegszeiten der Größe aufsteigend sortiert.
Die Anstiegszeit des Sensorsignals im Messfenster ‚Nadelumkehrpunkt‘ hängt unter anderem von der Ansteuerdauer, dem Raildruck, der Injektortemperatur und dem Kraftstoff ab und unterliegt im Fahrbetrieb einer hohen Dynamik. Da dynamische Änderungen des Betriebspunktes an allen Zylindern in ähnlichem Maße auftreten, kann ein erhöhter Übergangswiderstand an einem Injektor durch den Vergleich mit den anderen Zylindern detektiert werden. Der betroffene Zylinder weist im Vergleich zu den anderen Zylindern eine erhöhte Anstiegszeit auf. Der Zylinder mit der zweitkleinsten Anstiegszeit wird ermittelt; diese Anstiegszeit wird als Referenz-Anstiegszeit verwendet.
In einem Schritt 2006 wird dann für jeden Zylinder die Differenz der Anstiegszeit zur Referenz-Anstiegszeit ermittelt. Zur weiteren Erhöhung der Robustheit wird, in Schritt 2008, die Differenz für jeden Zylinder PT1-gefiltert. Der Ausgang des PT1-Filters wird, in Schritt 2010, mit einer Erkennungsschwelle (z.B. einer zulässigen maximalen Abweichung der Anstiegszeit eines fehlerfreien Systems) verglichen; wird diese überschritten (Y), dann wird in Schritt 2014 ein erhöhter Übergangswiderstand gemeldet. Falls, nicht, liegt gemäß Schritt 2012 kein erhöhter Übergangswiderstand vor.
Um in jedem Einspritzzyklus Anstiegszeiten zu ähnlichen Ansteuerdauern miteinander zu vergleichen, wird die Differenz zur zweitkleinsten Anstiegszeit vorzugsweise einspritztypspezifisch, oder nur bei einem Einspritztyp, z.B. Haupteinspritzung, berechnet.
Zudem kann eine Fehlerentprellung erfolgen. Die Fehlerentprellung ändert sich gegenüber einem herkömmlichen bestehenden Diagnosekonzept jedoch nicht. Lediglich die Bedeutung der Fehlerpfade erweitert sich (erhöhter Übergangswiderstand zusätzlich zu elektrischer Unterbrechung).

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem Sensorsignal (S) beim Betrieb eines Kraftstoffinjektors (170) einer Brennkraftmaschine (160), bei dem ein Schaltventil (100) des Kraftstoffinjektors (170) mittels eines Ansteuersignals angesteuert wird und bei dem das Sensorsignal als ein Signal (S) eines Sensors (141) erfasst wird, der dafür vorgesehen ist, charakteristische Betriebspunkte des Kraftstoffinjektors (170) zu erfassen, wobei in einem vorgegebenen Zeitfenster (Δt_U, Δt_O) des Sensorsignals (S), das einen Zeitpunkt eines charakteristischen Betriebspunkts des Kraftstoffinjektors umfasst, wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, die einen Signalpegel (P) und/oder eine Anstiegszeit (Δt_A,) umfasst, und wobei anhand der wenigstens einen Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Zeitfenster des Sensorsignals, in dem die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, den Zeitpunkt (to,v) eines Öffnens des Schaltventils und/oder den Zeitpunkt (t_U,N) eines Umkehrens einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors als charakteristischen Betriebspunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Beginn des vorgegebenen Zeitfensters in Abhängigkeit von einem Beginn (t_SOE) und/oder einem Ende (t_EOE) der Ansteuerung des Schaltventils bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Fehler, der anhand des Signalpegels (P) als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, umfasst, dass ein Kurzschluss des Sensors vorliegt, und/oder wobei der Fehler, der anhand der Anstiegszeit (Δt_A,) als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals bestimmt wird, umfasst, dass ein Übergangswiderstand (R_NCS) zwischen dem Sensor und einer Ausleseeinheit höher als ein Sollwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Signalpegel (P) als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals mit einem oder mehreren Pegel-Schwellwerten verglichen wird, und wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anstiegszeit (Δt_A,) als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals mit einer Referenz-Anstiegszeit verglichen wird, und in Abhängigkeit von dem Vergleich bestimmt wird, ob ein Fehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei, wenn die Anstiegszeit als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals um mehr als einen vorgegebenen Zeit-Schwellwert höher als die Referenz-Anstiegszeit ist, bestimmt wird, dass ein Fehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei als Referenz-Anstiegszeit eine Anstiegszeit eines anderen Kraftstoffinjektors der Brennkraftmaschine oder einer mittleren Anstiegszeit mehrerer andere Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei anhand einer Amplitude (A) des Sensorsignals (S) in dem oder einem anderen vorgegebenen Zeitfenster eines charakteristischen Betriebspunkts des Kraftstoffinjektors bestimmt wird, ob ein anderer Fehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei zusätzlich der Signalpegel (P) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Anstiegszeit (Δt_A,) als die wenigstens eine Eigenschaft des Sensorsignals in dem vorgegebenen Zeitfenster nur dann bestimmt oder nur dann zum Bestimmen, ob ein Fehler vorliegt, verwendet wird, wenn anhand der Amplitude des Sensorsignals kein anderer Fehler erkannt wurde.
Recheneinheit (180), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (180) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (180) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.